(57)【要約】【課題】ジョセフソン素子を利用した標準電圧発生装置と同程度の精密で安定した電圧を発生させることのできる電圧発生装置を提供すること。【解決手段】半導体を用いた定電圧発生部１１と、ジョセフソン素子１５によって標準電圧ＶJを発生させるジョセフソン電圧発生部１０とから構成され、定電圧発生部１１からのフィードバック電圧Ｖ２とジョセフソン電圧発生部１０からの出力電圧Ｖ１とを比較し、検出された差電圧Ｖ３を定電圧発生部１１に帰還して制御することにより、定電圧発生部１１から標準電圧ＶJと同程度の精密な電圧を出力させることを特徴とする電圧発生装置である。【選択図】図１
2005300317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体を用いた定電圧発生部と、ジョセフソン素子によって標準電圧を発生させるジョセフソン電圧発生部とから構成され、前記定電圧発生部からのフィードバック電圧と前記ジョセフソン電圧発生部からの出力電圧とを比較し、検出された差電圧を前記定電圧発生部に帰還して制御することにより、前記定電圧発生部から前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力させることを特徴とする電圧発生装置。
【請求項２】
半導体を用いた定電圧発生部と、ジョセフソン素子によって標準電圧を発生させるジョセフソン電圧発生部とから構成され、前記定電圧発生部からのフィードバック電圧と前記ジョセフソン電圧発生部の出力電圧との差電圧と、前記定電圧発生部のフィードバック電圧の正負を反転させた電圧と前記ジョセフソン素子のバイアス電流の正負を反転させたときの前記ジョセフソン電圧発生部の出力電圧との差電圧とが一致するように制御することにより、前記定電圧発生部から前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力させることを特徴とする電圧発生装置。
【請求項３】
前記定電圧発生部は、制御信号により制御されて電圧制御ユニットから出力されるフィードバック電圧の正負を反転して出力することが可能な極性切替器と、該極性切替器から出力されるフィードバック電圧と前記ジョセフソン電圧発生部の出力電圧との差電圧を検出する手段、前記ジョセフソン電圧発生部のバイアス回路及び前記極性切替器へ前記制御信号を出力する手段、及び前記フィードバック電圧並びに前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力する手段からなる前記電圧制御ユニットとから構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電圧発生装置。
【請求項４】
前記電圧制御ユニットは、前記差電圧を入力するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器から出力される差電圧を測定して帰還信号を出力するとともに、前記ジョセフソン電圧発生部のバイアス回路及び前記極性切替器へ前記制御信号を出力する計測制御部と、前記帰還信号を入力するＤ／Ａ変換器と、該Ｄ／Ａ変換器から出力される帰還信号を入力して前記フィードバック電圧と前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力する電圧発生部とからなることを特徴とする請求項３に記載の電圧発生装置。
【請求項５】
前記電圧発生部は、ツェナーダイオードの入力端に接続された定電流源と前記帰還信号によって制御される電圧制御電流源と、前記ツェナーダイオードの出力端に接続された前記フィードバック電圧と前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力する変圧器とから構成されることを特徴とする請求項４に記載の電圧発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧発生装置に係り、特に、定電圧電源として国家標準にも用いられている９桁の精度の電圧を発生するジョセフソン素子で発生する標準電圧と同程度の精度と安定度を有する電圧を発生させることのできる電圧発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ツェナーダイオードのような半導体を用いた定電圧発生器及びこれに電力増幅器を組み合わせた定電圧電源は、家電から産業界のいたるところで使用されている。特に、電気計測器では、精密で安定した電圧を発生する定電圧発生装置や定電圧電源が必要とされている。
【０００３】
しかしながら、半導体を利用した定電圧発生装置は温度、湿度等で特性が変わり易く、また経時変化も大きい。計測器の校正に使う定電圧発生装置でも１℃当たり数ｐｐｍＶの電圧変動があり、たとえ温度等の環境を一定にしても１年間に数ｐｐｍＶ程度電圧が変動するものは珍しくない。一般の定電圧発生器や定電圧電源では変動はさらに大きい。
なお、ジョセフソン電圧標準素子を用いた標準電圧発生装置としては、例えば、特開平７−１５９４４２号公報に開示されたものが知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１５９４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在、国家標準には、ジョセフソン素子を用いた標準電圧が用いられているが、現在のジョセフソン素子は極めて微弱な電流しか取り出せず、また、雑音の多い被校正器に繋ぐと雑音の影響や磁束トラップの発生により定電圧を発生できなくなるおそれがある。
【０００６】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、環境が多少変化しても、大きな電流を取り出しても、また比較的雑音の多い負荷に接続しても、ジョセフソン素子を利用した標準電圧発生装置と同程度の精密で安定した電圧を発生させることのできる電圧発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するために下記の手段を採用した。
第１の手段は、半導体を用いた定電圧発生部と、ジョセフソン素子によって標準電圧を発生させるジョセフソン電圧発生部とから構成され、前記定電圧発生部からのフィードバック電圧と前記ジョセフソン電圧発生部からの出力電圧とを比較し、検出された差電圧を前記定電圧発生部に帰還して制御することにより、前記定電圧発生部から前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力させることを特徴とする電圧発生装置である。
【０００８】
第２の手段は、半導体を用いた定電圧発生部と、ジョセフソン素子によって標準電圧を発生させるジョセフソン電圧発生部とから構成され、前記定電圧発生部からのフィードバック電圧と前記ジョセフソン電圧発生部の出力電圧との差電圧と、前記定電圧発生部のフィードバック電圧の正負を反転させた電圧と前記ジョセフソン素子のバイアス電流の正負を反転させたときの前記ジョセフソン電圧発生部の出力電圧との差電圧とが一致するように制御することにより、前記定電圧発生部から前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力させることを特徴とする電圧発生装置である。
【０００９】
第３の手段は、第１の手段又は第２の手段において、前記定電圧発生部は、制御信号により制御されて電圧制御ユニットから出力されるフィードバック電圧の正負を反転して出力することが可能な極性切替器と、該極性切替器から出力されるフィードバック電圧と前記ジョセフソン電圧発生部の出力電圧との差電圧を検出する手段、前記ジョセフソン電圧発生部のバイアス回路及び前記極性切替器へ前記制御信号を出力する手段、及び前記フィードバック電圧並びに前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力する手段からなる前記電圧制御ユニットとから構成されることを特徴とする電圧発生装置である。
【００１０】
第４の手段は、第３の手段において、前記電圧制御ユニットは、前記差電圧を入力するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器から出力される差電圧を測定して帰還信号を出力するとともに、前記ジョセフソン電圧発生部のバイアス回路及び前記極性切替器へ前記制御信号を出力する計測制御部と、前記帰還信号を入力するＤ／Ａ変換器と、該Ｄ／Ａ変換器から出力される帰還信号を入力して前記フィードバック電圧と前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力する電圧発生部とからなることを特徴とする電圧発生装置である。
【００１１】
第５の手段は、第４の手段において、前記電圧発生部は、ツェナーダイオードの入力端に接続された定電流源と前記帰還信号によって制御される電圧制御電流源と、前記ツェナーダイオードの出力端に接続された前記フィードバック電圧と前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力する変圧器とから構成されることを特徴とする電圧発生装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電圧発生装置によれば、環境が多少変化しても、大きな出力電流を取り出しても、また比較的雑音の多い被測定物に接続しても、ジョセフソン素子を利用した標準電圧発生装置と同程度の精密で安定した電圧を発生させることのできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の一実施形態を図１乃至図７を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る電圧発生装置の概要を示す図である。
同図において、１０はジョセフソン電圧発生部であり、マイクロ波発振器１２、バイアス回路１３、導波路１４、ジョセフソン素子１５、液体ヘリウム容器１６から構成される。１１は定電圧発生部であり、フィルタ１７、電圧制御ユニット１８、極性切替器１９から構成される。２０は被測定物である。
【００１４】
ジョセフソン電圧発生部１０において、マイクロ波発振器１２はジョセフソン素子１５に照射する周波数ｆのマイクロ波を発生させるものであり、周波数ｆは、電圧制御ユニット１８から出力される周波数設定用制御信号２１により制御され、例えば、ジョセフソン素子１５としてＳＮＳタイプの素子を用いる場合、市販の発振器を用いることにより、２０ＧＨｚ程度までの周波数を発生させることができる。
また、ジョセフソン素子１５は、ジョセフソン接合を直列に接続した接合列で構成され、液体ヘリウム容器１６の液体ヘリウム中に設置される。マイクロ波は導波路１４によってマイクロ波発振器１２からジョセフソン素子１５近傍まで導入され、ジョセフソン素子１５にマイクロ波を照射することにより、ジョセフソン電圧を発生させることができる。
【００１５】
また、バイアス回路１３は、ジョセフソン素子１５にバイアス電流を流すためのものであり、一種の電流源で構成される。バイアス回路１３から流れるバイアス電流の向きは電圧制御ユニット１８から出力されるバイアス回路制御用信号２２によって制御される。
【００１６】
図２は、ＳＮＳタイプのジョセフソン素子１５の電流−電圧特性を示す図である。
同図に示すように、ジョセフソン素子１５に流れるバイアス電流Ｉｂが電圧ステップの現れる範囲に入るように設定すると、その電流範囲では、標準電圧ＶJは１接合当り（ｈ／２ｅ）×ｆで表される。ここで、ｈはプランク定数、ｅは電荷素量、ｆは照射するマイクロ波の周波数である。ジョセフソン素子１５の接合数をＮとすると、標準電圧ＶJは（ｈ／２ｅ）×ｆ×Ｎとなる。バイアス電流Ｉｂの向きを反転すると標準電圧ＶJの符号も反転する。
【００１７】
また、図１に示すように、定電圧発生部１１は、大きく分けて電圧制御ユニット１８、極性切替器１９、フィルタ１７から構成されるが、そのうち電圧制御ユニット１８の機能には、（１）入力端子２３における差電圧Ｖ３の検出、（２）ジョセフソン電圧発生部１０のバイアス回路１３及び極性切替器１９への制御信号の出力、（３）フィードバック端子２５におけるフィードバック電圧Ｖｆｂの出力、（４）出力端子２４における被測定物２０への出力電圧Ｖoutの出力がある。
電圧制御ユニット１８の出力電圧Ｖoutは定電圧発生部１１の出力となり、被測定物２０に印加される。また、電圧制御ユニット１８のフィードバック端子２５から出力されるフィードバック電圧Ｖｆｂは極性切替器１９とフィルタ１７を通って電圧Ｖ２として出力され、ジョセフソン電圧発生部１０から出力される出力電圧Ｖ１と直列に印加され、電圧制御ユニット１８の入力端子２３に差電圧Ｖ３として入力される。
【００１８】
図３は、極性切替器１９の構成を示す図である。
同図に示すように、極性切替器１９は、４つのリレー２９で構成され、電圧制御ユニット１８からの極性切替信号２８に従って電圧制御ユニット１８のフィードバック出力端子２５から出力されるフィードバック電圧Ｖｆｂの符号を切り替える機能を持つ。この極性切替機能により、後述する、ジョセフソン素子１５の出力において発生する熱起電力ＶTとＡ／Ｄ変換器３０の入力オフセット電圧Ｖoffsetを除去することができる。
【００１９】
図１において、２つのフィルタ１７は、それぞれ電圧制御ユニット１８の入力電圧Ｖ３とフィードバック電圧Ｖｆｂ及び被測定物２０からフィードバック電圧Ｖｆｂを介して入力される雑音がジョセフソン電圧発生部１０に混入するのを防止する機能を有する。なお、これらのフィルタ１７は、コイルとコンデンサから構成される。これはフィルタで電圧降下が起こることを防止するためである。
【００２０】
図４は、図１に示した電圧制御ユニット１８のより詳細な構成の一例を示す図である。
同図に示すように、この電圧制御ユニット１８は、Ａ／Ｄ変換器３０、計測制御部３１、Ｄ／Ａ変換器３２、及び電圧発生部３３から構成される。
Ａ／Ｄ変換器３０は、ジョセフソン電圧発生部１０から出力される出力電圧Ｖ１と電圧制御ユニット１８のフィードバック出力端子２５から出力されるフィードバック電圧Ｖｆｂである出力電圧Ｖ２との差電圧Ｖ３をデジタルデータに変換する。
計測制御部３１は、フィードバック電圧fbをジョセフソン素子１５によって発生される標準電圧ＶＪと等しくするのに中心的な役割を果たし、大きく分けて３つの機能を有する。第１にジョセフソン電圧発生部１０の出力電圧Ｖ１とフィードバック電圧Ｖfbである出力電圧Ｖ２との差電圧Ｖ３の測定、第２に電圧発生部３３へ帰還信号を送る機能、第３にジョセフソン電圧発生部１０及び極性切替器１９の制御する機能である。
【００２１】
ジョセフソン電圧発生部１０の出力電圧Ｖ１とフィードバック電圧Ｖfbとの差電圧Ｖ３の測定においては熱起電力ＶTの影響が大きな問題となる。熱起電力ＶTの発生はジョセフソン素子１５が液体ヘリウム（４．２Ｋ、約２６９℃）に設置されていることから避けられず、熱起電力ＶTの値を精密に理論的に予測することは事実上不可能である。しかし、熱起電力ＶTはジョセフソン素子１５の標準電圧ＶJと電圧制御ユニット１８からのフィードバック電圧Ｖfbの極性を周期的に切り替え、極性を切り替える前後の電圧の差を取り平均をとることによって除去することが原理的に可能である。
【００２２】
図５は、図４に示したＡ／Ｄ変換器３０に入力される差電圧Ｖ３の動作を説明するための図である。
ここで、ジョセフソン電圧発生部１０の出力電圧をＶ１、極性切替器１９の出力電圧をＶ２、電圧制御ユニット１８の入力電圧をＶ３とし、ジョセフソン素子１５の標準電圧をＶJ、熱起電力をＶT、Ａ／Ｄ変換器３０のオフセット電圧をＶoffsetとすると、同図に示すように、ジョセフソン電圧発生部１０の出力電圧Ｖ１の値は＋ＶJ＋ＶT、又は計測制御部３１によってバイアス回路１３のバイアス電流Ｉｂの向きが変えられたときの出力電圧Ｖ１は−ＶJ＋ＶTである。
【００２３】
また、計測制御部３１に入力される電圧の値は、＋ＶJ＋ＶT＋Ｖoffsetまたは計測制御部３１によってバイアス回路１３のバイアス電流Ｉｂの向きを変えられたときは−ＶJ＋ＶT＋Ｖoffsetである。
そこで、計測制御部３１において、（I）の段階として、計測制御部３１に入力される入力電圧Ｖ３は、ジョセフソン電圧発生部１０の出力電圧Ｖ１（＝−ＶJ＋ＶT）にＡ／Ｄ変換器３０で発生したオフセット電圧Ｖoffsetを加算した電圧（−ＶJ＋ＶT＋Ｖoffset）と極性切替器１９の出力電圧Ｖ２（＝＋Ｖfb）との差電圧Ｖ３（＝＋ＶJ＋ＶT＋Ｖoffset−Ｖfb）となり、これを一定時間記録し、平均をとって差電圧Ｖ３＋をとる。  
次に（II）の段階として、計測制御部３１からのバイアス回路制御用信号２２によってジョセフソン電圧発生部１０のバイアス回路１３を制御することにより、ジョセフソン素子１５に流れるバイアス電流Ｉｂを反転させる。
次に、（III）の段階として、計測制御部３１に入力される入力電圧Ｖ３は、ジョセフソン電圧発生部１０の出力電圧Ｖ１（＝−ＶJ＋ＶT）にＡ／Ｄ変換器３０で発生したオフセット電圧Ｖoffsetを加算した電圧（−ＶJ＋ＶT＋Ｖoffset）と極性切替器１９の出力電圧Ｖ２（＝−Ｖfb）の差電圧Ｖ３（＝−ＶJ＋ＶT＋Ｖoffset−（−Ｖfb））となり、これを一定時間記録し、平均をとって差電圧Ｖ３−をとる。
次に、（IV）の段階として、計測制御部３１からのバイアス回路制御用信号２２によってジョセフソン電圧発生部１０のバイアス回路１３を制御することにより、ジョセフソン素子１５に流れるバイアス電流Ｉｂを反転させる。
再び、（I）の段階の処理を行う。
以上のごとく、計測制御部３１において、（I）〜（IV）の段階の処理を繰り返す。
【００２４】
（I）〜（IV）の段階の処理の過程において、（I）の段階と(III)の段階の測定結果から、Ｖ３＋≠Ｖ３−の場合は、Ｖ３＋＝Ｖ３−となるように、即ち、Ｖ３＋−Ｖ３−＝（＋ＶJ＋ＶT＋Ｖoffset−Ｖfb）−（−ＶJ＋ＶT＋Ｖoffset＋Ｖfb）＝２ＶJ−２Ｖfb＝０となるように、（I）の段階から(IV)の段階の処理を繰り返す。この処理を繰返す度に、計測制御部３１において、電圧発生部３３からのフィードバック電圧Ｖfbを制御するための電圧発生部３３への帰還信号を計算する。
計測制御部３１で計算された帰還信号はＤ／Ａ変換器３２を介して電圧発生部３３に送られると、電圧発生部３３から出力されるフィードバック電圧Ｖfb及び出力電圧Ｖoutは微調整されて出力される。微調整の結果、最終的にＶ３＋−Ｖ３−＝２ＶJ−２Ｖfb＝０とすることができる。その結果、定電圧発生部１１、即ち、電圧制御ユニット１８のフィードバック電圧Ｖfbをジョセフソン素子１５の標準電圧ＶJと等しくすることができる。
【００２５】
図６（ａ）は、図４に示す電圧発生部３３の構成の一例を示す図である。
同図に示すように、電圧発生部３３は、電圧制御電流源３４、定電流源３５、ツェナーダイオード３６、及び変圧器３７から構成される。
ツェナーダイオード３６の出力電圧Ｖｚの値は、ツェナーダイオード３６を流れるバイアス電流で決まる。ツェナーダイオード３６のバイアス電流は定電流源３５と電圧制御電流源３４の２種類の電流源によって制御される。定電流源３５はツェナーダイオード３６の出力電圧を４乃至５桁程度の精度で決定する役割を果たす。一方、電圧制御電流源３４はＤ／Ａ変換器３２から出力される電圧帰還信号を電流に変換し、ツェナーダイオード３６の出力電圧を微調整する役割を果たす。定電流源３５からの電流は４乃至５桁程度の精度を持つことが期待され、電圧制御電流源３４からツェナーダイオード３６に流れ込む電流は、定電流源３５からツェナーダイオード３６に流れ込む電流より３乃至４桁程度小さくなるように調整されている。
定電流源３５としては、例えば定電圧源と抵抗から構成したり、定電圧源とＪＦＥＴで構成することが可能である。また電圧制御電流源３４としては、例えば、オペアンプをボルテージフォロアで接続したものに抵抗を接続して構成したり、電圧電流変換回路で構成することが可能である。
【００２６】
ツェナーダイオード３６から出力されたツェナー電圧は、変圧器３７によって昇圧され定電圧発生部１１の出力電圧Ｖoutとして出力され、また変圧器３７の出力端子からは極性切替器１９にフィードバックされるフィードバック電圧Ｖfbも出力される。
【００２７】
図６（ｂ）は、図４に示すＤ／Ａ変換器３２と電圧発生部３３の構成の一例を示す図である。
同図に示すように、電圧発生部３３としてツェナーダイオードを用いず、前段のＤ／Ａ変換器３２と電圧発生部３３を、２つのＤ／Ａ変換器３８及びＤ／Ａ変換器３９と反転加算器４０を用いて構成したものである。
Ｄ／Ａ変換器３８とＤ／Ａ変換器３９をそれぞれ精密電流制御用及び定電流発生用として用いる。Ｄ／Ａ変換器３９の出力は基本的に一定であり、定電流源として機能させる。電圧制御ユニット１８の出力電圧の微調整はＤ／Ａ変換器３８の出力電圧を制御することにより行う。Ｄ／Ａ変換器３８で反転増幅器４０の出力電圧を微調整するために、Ｒ２／Ｒ１の値は１０３から１０４程度に調整する必要がある。Ｒ３はＲ２と同程度でよい。
反転加算器４０から出力された電圧は、変圧器３７によって昇圧されて定電圧発生部１１の出力電圧Ｖoutとして出力されるとともに、変圧器３７からは極性切替器１９にフィードバックされるフィードバック電圧Ｖfbとして出力される。
【００２８】
図７は、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示した変圧器３７の構成を示す図である。
同図に示すように、変圧器３７は電圧増幅器４１と分圧抵抗Ｒ４，Ｒ５で構成され、出力電圧はＶout＝（（Ｒ４＋Ｒ５）／Ｒ５）×Ｖｆｂと計算される。その結果、変圧器３７の出力端２４からはジョセフソン電圧発生部１０の標準電圧ＶJ以上の任意の電圧を出力させることができる。出力電圧Ｖoutは抵抗比で決まるため、Ｒ４とＲ５の抵抗比を９桁の精度で求めておくことにより、フィードバック電圧Ｖｆｂをジョセフソン素子１５の標準電圧ＶJとほぼ同一、同精度とすることができるので、標準電圧ＶJと同精度の出力電圧Ｖoutを得ることができる。
ここで、Ｒ４＝０として、フィードバック電圧Ｖfb＝出力電圧Ｖoutとした場合は、電圧制御ユニット１８の出力電圧Ｖoutをジョセフソン素子１５の標準電圧ＶJと等しくすることができるので、電圧制御ユニット１８からは標準電圧ＶJと同一、同精度の出力電圧Ｖoutを出力させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る電圧発生装置の概要を示す図である。
【図２】ＳＮＳタイプのジョセフソン素子１５の電流−電圧特性を示す図である。
【図３】極性切替器１９の構成を示す図である。
【図４】図１に示した電圧制御ユニット１８のより詳細な構成の一例を示す図である。
【図５】図４に示したＡ／Ｄ変換器３０に入力される差電圧Ｖ３の動作を説明するための図である。
【図６】図４に示す電圧発生部３３の構成又は電圧発生部３３とＤ／Ａ変換器３２の構成を示す図である。
【図７】図６に示した変圧器３７の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  ジョセフソン電圧発生部
１１  定電圧発生部
１２  マイクロ波発振器
１３  バイアス回路
１４  導波路
１５  ジョセフソン素子
１６  液体ヘリウム容器
１７  フィルタ
１８  電圧制御ユニット
１９  極性切替器
２０  被測定物
２１  周波数設定用制御信号
２２  バイアス回路制御用信号
２３  電圧制御ユニットの入力端子
２４  電圧制御ユニットの出力端子
２５  電圧制御ユニットのフィードバック電圧出力端子
２６  極性切替器の入力端子
２７  極性切替器の出力端子
２８  極性切替信号
２９  リレー
３０  Ａ／Ｄ変換器
３１  計測制御部
３２  Ｄ／Ａ変換器
３３  電圧発生部
３４  電圧制御電流源
３５  定電流源
３６  ツェナーダイオード
３７  変圧器
３８  Ｄ／Ａ変換器
３９  Ｄ／Ａ変換器
４０  反転加算器
４１  電圧増幅器
【図１】
2005300317.tif 000003
【図２】
2005300317.tif 000004
【図３】
2005300317.tif 000005
【図４】
2005300317.tif 000006
【図５】
2005300317.tif 000007
【図６】
2005300317.tif 000008
【図７】
2005300317.tif 000009